Kern- und Teilchenphysik

Transkript

1 Kern- und Teilchenphysik Johannes Blümer SS0 Vorlesung-Website KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 v4. Juni 0 Quarkstruktur der Hadronen Von Nukleonen zu den Quarks Elastische, inelastische Streuung Formfaktoren des Nukleons Quasielastische Streuung Tiefinelastische Streuung Nukleonanregungen Strukturfunktionen Partonen, Breit-System EMC-Effekt Quarkstruktur der Hadronen Quarkmodell, additive QZ, Ladungsbetrachtungen Vergleich von en mit νn-streuung Charakteristika von F, neue Messungen an HERA, Skalenbrechung Aufbau von Hadronen aus Quarks R-Wert aus e + e -Streuung, Color farbige Quarks und qg-wechselwirkung v3! KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA

3 !3 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA SLAC-Spektrometer

4 !4 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA Hinweise auf punktförmige Spin-/ Streuzentren im Nukleon Formfaktor/Strukturfunktion hängt nicht von Q ab: Punktstreuung! Callan-Gross-Relation: x F = F ist erfüllt, d.h. die punktförmigen Streuzentren haben Spin /

5 Breit-System, Partonen, SF im Quarkbild Elektron Nukleon Parton ɣ Nukleonrest x P ɣ Nukleonrest -x P x P (-x) P Parton P Nukleon Labor System Breit System: virtuelles ɣ, überträgt nur Impuls, keine Energie 0 r x P Q anschaulich: x = x = Bruchteil des Viererimpulses des Mν Nukleons, der vom Proton getragen wird q~ = 0 r q = Quarktypen f, Impulsanteile x, Verteilungsfunktion qf(x) Seequarks aus virtuellen Quark-Antiquark-Paaren!5 F ( x) = x z ( q ( x) + q ( x) ) f f f KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA f

6 Von Partonen zu Quarks

7 !7 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA F-Vergleich in e, ν-streuung [Perkins] GGM: Gargamelle, berühmte Blasenkammer am CERN

8 Gargamelle-Blasenkammer am CERN!8 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA

9 !9 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA F-Vergleich in e, ν-streuung alle Quarks Valenzquarks = Quarks Antiquarks Anti-/Seequarks

10 !0 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA Grenzfälle... Bilde F n / F p und untersuche Grenzfälle: x 0 : x : F n p F = Seequarks dominieren sind gleich in p und n n p d u F F = = z z, nicht = = 4 d u 3 z + z z + z d u?

11 ! KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA noch unverstanden: EMC-Effekt < Erwartung

12 Neutrale s-quarks vernachlässigen Fg(x) (x) = 5/8 x Σ(q(x)+q(x Konstituenten : Gluonen: Quarks und Strukturfunktionen z f = ( zu + z d ) = (( 3 ) + ( 3 ) ) F(x) = Σ der mit x und zf gewichteten Impulsverteilungen (pro Nu Strukturfunktionen vgl. Neutrino-Streuung + Antineutrino-Streuung: [F W elektrischer Ante F ( x) = x z f µ (- q f ( x) + q f ( x) ) s-quarks vernachlässigen FeN(x) = 5/8 f ν ν x Σ(q(x)+q(x)) µ+ ν,ν N F ( x) -) + D 5 p W W ( z = ( z + z ) = ( ) + ( ) mit f p=(x)+f u,d n(x)) / = FN(x) F (x) = (F F (x) en + (s + s ) F (x) = (u + u + d + d) 8 aus+ Streuexp. 9 H-, D-Kernen d Auswirkungen des u vgl. Antineutrino-Streuung: xp. Bestimmung an dneutrino-streuung u + µ dν,ν N 8 µ en ν,ν N en u EMC-Effekt (unvers 8 ν u schwache ν d mit e, Ladung µ oder ν F (koppelt an schwache Ladung) F ( x ) F F (x) ( x) 5 + W = schwache Ladung W 5 siehe später : sc f u d 3 3 Michael Feindt, umoderne Experimentalphysik III,d Vorlesung 7 = u d qv(x) hat Maximum bei x 0.7 u schwache Ladung d d = u schwache Ladung = siehe später : schwache WW qv(x) hat Maximum bei x 0.7 mittlerer Impulsanteil eines Valenzquarks: mittlerer Impulsanteil eines Valenzquarks: <xv> 0. mittlerer Impulsanteil eines Seequarks: mittlerer Impulsanteil eines Seequarks: <xs> F ( x ) dx ν N 0 F ( x) dx 5 νn d.h. weitere 50% des Nukleonimpulses wird50% von des Nukleonimp d.h. weitere Teilchen getragen, die keine elektrische und getragen, die keine elek keine schwache LadungTeilchen tragen. ( x) dx 0eN.5 F 8 F ( x) dx 0.5 en 0 5 <xv> 0. <xs> des Nukleonimpulses 0 Gluonen tragen die Hälfte keine schwache Ladung tragen. Gluonen tragen die Hälfte des Nukleonimpulses Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 8 KIT-IEKP untersuche Grenzfälle: x! 0, x! Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 8! KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA

13 Strukturfunktionen front-line !3 x f(x) x f(x) [rpp00] KT0 0-3 Johannes Blümer x x IKP in KCETA

14 Strukturfunktionen front-line Q (GeV ) [rpp00] Bem. zu HERA 0 -! x KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA

15 HERA Physics Accomplishments of HERA C. Diaconu,T. Haas, M. Medinnis, K. Rith, and A.Wagner Annu. Rev. Nucl. Part. Sci :0 8 POINTING THE WAYª How HERA is helping to shape the future of physics e3003/e6843/e0845/e69406/hera_pointing_the_way_eng.pdf.6.4 Q = 5 GeV H and ZEUS. HERA: Hadron-Elektron- Ring-Anlage Betrieb Länge 6,3 km, Endenergie der e ± 30 GeV, der Protonen 80 GeV. 4 Wechselwirkungszonen: Experimente H, ZEUS, HERA-B und HERMES. F (x,q ) Q = 3.5 GeV Q = 650 GeV Vorab: deutet der drastische Anstieg von F bei hohen Q auf eine Substruktur der Quarks o. ä.? Nein, die höhere Auflösung bringt immer mehr gg- Paare zum Vorschein! HERA-I NC e + p HERAPDF x KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA

16 F Vergleich von HERA mit früheren Messungen!6 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA

17 !7 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA Skalenbrechung doch endl. Ausdehnung der Quarks? NEIN: Auflösung von virtuellen Substrukturen im Quarkverbund: ein Quark "besteht" aus Quarks und Gluonen, ein Gluon "besteht" aus Quarks und Antiquarks. F x klein mittleres x x groß Q "normal" Quark mit Impuls y P strahlt Gluon ab und trägt danach Impuls x P (kleiner!) Gluon "zerfällt" in qq, von denen eines vom Photon getroffen wird. Je höher Q, desto häufiger können Aufspaltungsprozesse stattfinden. Entwicklung in der QCD vorhersagbar. Altarelli Parisi Gleichungen (gekoppelte Differential-/Integralgleichungen)

18 -Entwicklung von xq und xg Q Q -Evolution von Quark- und Gluon-Verteilungen Quark-Verteilung hohes Q: weniger Valenzanteil mehr See-Anteil x q ( x) = !8 KT0 viele Quarks bei kleinem x 8 F d ( ) x q ( x ) + q ( x ) f f f 5 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 8 Johannes Blümer Gluon-Verteilung G ( x, Q ) = x g ( x ) KIT-IEKP IKP in KCETA

19 !9 KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA Viele Teilchen einfache Erklärung? Leptonen Elektron Positron Myon Kerne Neutron Pion Kaon... J/Psi... Proton; Nukleon Hadronen

20 The left-hand image shows the decay of a neutral kaon, captured the previous year, 946. Being uncharged the neutral kaon leaves no track, but a "V" of tracks appears when it decays into two lighter charged particles, each of which is a pion (just below the central bar towards right of the chamber). The right-hand image shows the decay of a charged kaon into a muon and a neutrino. The kaon has come in at the top right of the chamber and the decay occurs where the track appears to bend to the left abruptly. The track beyond this kink is due to the muon, which penetrates the bar across the chamber. The neutrino has no charge and so remains invisible in the detector - its presence is inferred from the imbalance in momentum where the kink occurs. KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA

21 ! KT0 Johannes Blümer IKP in KCETA Hadronen Hadronen = stark wechselwirkende Teilchen Baryonen "schwere" qqq halbzahliger Spin Fermionen Mesonen "leichte" qq ganzzahliger Spin Bosonen Pionen... Baryonzahlerhaltung: Σ B = konst. Seltsame Teilchen: Σ S = konst.